ch2電阻式傳感器

1、天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORCh2 Ch2 電阻式傳感器電阻式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORCH2 CH2 電阻式傳感器電阻式傳感器DCIR環(huán)境溫度環(huán)境溫度TTRI溫度傳感溫度傳感器器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu基本原理基本原理 將被測的非電量轉換成電阻值的變化，再由轉換電路變成將被測的非電量轉換成電阻值的變化，再由轉換電路變成電量輸出。電量輸出。 u主要類型主要類型u 應變式應變式u 壓阻式壓阻式CH2 CH2 電阻式傳感器電阻式傳

2、感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR應力與應變應力與應變橫截面積橫截面積A外力外力F內力內力F一、應力一、應力 = ( (pa pa 或者或者N/mN/m2 2) )FAF=F應力：由外力引起的內力集度應力：由外力引起的內力集度天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR應力與應變應力與應變二、應變二、應變F FF F軸向應變軸向應變 l /l (1)徑向應變徑向應變 r /r (2)- (泊松比泊松比) (3)天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR應力與應變應力與應變

3、二、應力與應變的關系二、應力與應變的關系E:E:楊氏彈性模量楊氏彈性模量 E E天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR應力與應變應力與應變二、應力與應變的關系二、應力與應變的關系A=1cm1cmF=10kN(1)(2)=485 u (3)天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR一、工作原理一、工作原理橫截面：橫截面：A A長長 度：度：l l半半 徑：徑：r r電阻率：電阻率： 橫截面：橫截面：A+A+A A 長長 度：度：l+l+l l 半半 徑：徑：r+r+r r 電阻率：電阻率：+ F FF F1 1 應變

4、式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR 機械變形機械變形滿足關系式：滿足關系式： - ( (泊松比泊松比) )軸向應變軸向應變 l / /l 徑向應變徑向應變 r / /r一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR 電阻變化電阻變化AlR初始阻值初始阻值(1)(1)AdAdldlRdRrdrdldlRdR2相對變化相對變化(2)(2)(3)(3)AdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(4)(4)1 1 應變式傳感器應變式傳感器天

5、津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(1+2)阻值變化阻值變化金屬導體金屬導體AdAdldlRdR 0AdAdldlRdR(1+2) KAdAdldlRdR(5)一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器幾何變形幾何變形電阻率變電阻率變化化天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdR(1+2)(1+2) K KAdAdldlRdR電阻應變效應：電阻應變效應： 當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時

6、，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應電阻應變效應。 應變式傳感器是利用應變式傳感器是利用電阻應變效應電阻應變效應，將被測物體變，將被測物體變形轉換成電阻變化的傳感器。形轉換成電阻變化的傳感器。一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(1+2)阻值變化阻值變化幾何變形幾何變形電阻率變電阻率變化化一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RES

7、ISTOR SENSOR如何應用應變式傳感器進行測量？如何應用應變式傳感器進行測量？敏感柵敏感柵一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR應變片應變片一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器如何應用應變式傳感器進行測量？如何應用應變式傳感器進行測量？天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR E一、工作原理一、工作原理1 1 應變式傳感器應變式傳感器如何應用應變式傳感器進行測量？如何應用應變式傳感器進行測量？天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電

8、阻式傳感器RESISTOR SENSORu 金屬絲式金屬絲式u 金屬箔式金屬箔式u 金屬薄膜式金屬薄膜式根據(jù)敏感柵分：根據(jù)敏感柵分：二、類型與結構二、類型與結構1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu 金屬絲式金屬絲式特點：制作簡單、成本低廉、使用方便、性能特點：制作簡單、成本低廉、使用方便、性能穩(wěn)穩(wěn) 定、存在橫向效應。定、存在橫向效應。二、類型與結構二、類型與結構1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR特點：特點：（1）可制成復雜形狀的敏感柵；）可

9、制成復雜形狀的敏感柵； （2）與試件接觸面積大，粘結與散熱性好；）與試件接觸面積大，粘結與散熱性好； （3）橫向效應?。唬M向效應小； （4）電阻值分散性大。）電阻值分散性大。 金屬箔式金屬箔式二、類型與結構二、類型與結構-1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR（1）機械性能發(fā)生極大的改變；）機械性能發(fā)生極大的改變；（2）無需與基體粘貼，消除滯后；）無需與基體粘貼，消除滯后；（3）適于批量生產；）適于批量生產； （4）允許電流密度大，靈敏系數(shù)大，溫度影響?。唬┰试S電流密度大，靈敏系數(shù)大，溫度影響??； 利用薄膜技術制成厚度

10、小于利用薄膜技術制成厚度小于0.1um的薄膜敏感柵。的薄膜敏感柵。特點：特點：u 金屬薄膜式金屬薄膜式二、類型與結構二、類型與結構1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR1 1、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)（1 1）與金屬材料有關，常選用）與金屬材料有關，常選用K K較大的合金材料；較大的合金材料；AdAdldlRdR(1+2) KAdAdldlRdR K K 稱為稱為靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)，k k (1+2) (1+2)，一般為一般為2 2左右左右（2 2）實際的金屬應變片比金屬絲的）實際的金屬應變片比金屬絲的K K值小值小. .三、特

11、性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR2、機械滯后、機械滯后 原因原因：主要是敏感柵、基底和粘合層在承受機：主要是敏感柵、基底和粘合層在承受機械械應變后所留下的殘余變形所造成的。應變后所留下的殘余變形所造成的。 應變片安裝在試件上，在一定溫度下，其加載特應變片安裝在試件上，在一定溫度下，其加載特性與卸載特性不重合，它們的最大差值稱為應變片性與卸載特性不重合，它們的最大差值稱為應變片的的機械滯后機械滯后。三、特性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳

12、感器RESISTOR SENSOR3 3、零漂和蠕變、零漂和蠕變 粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定、不粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定、不承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性，承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變片的稱為應變片的零漂零漂。三、特性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR 如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變片的變，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變片的蠕變蠕變。蠕變中包含零

13、漂，零漂是蠕變的特例。蠕變中包含零漂，零漂是蠕變的特例。3 3、零漂和蠕變、零漂和蠕變三、特性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR4 4、橫向效應、橫向效應R1R1R2R2 彎成敏感柵以后，長度不變，但由于弧段的存在，彎成敏感柵以后，長度不變，但由于弧段的存在， R1 R1 R2, R2,所以靈敏系數(shù)所以靈敏系數(shù)k k減小，這種現(xiàn)象就是減小，這種現(xiàn)象就是橫橫向效應向效應。三、特性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSO

14、R5 5、其他特性、其他特性（1 1）最大工作電流；）最大工作電流；（2 2）絕緣電阻；）絕緣電阻；（3 3）電阻值）電阻值R.R. 三、特性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR三、特性指標三、特性指標1 1 應變式傳感器應變式傳感器A=1cm1cmF=10kN應變片：應變片：標稱電阻標稱電阻R R120120靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K K2 212024851060.120.1%天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR（1 1）金屬導體）金屬導體AdAdldlRdR

15、 0 0(1+2)(1+2)AdAdldlRdR（2 2）半導體）半導體AdAdldlRdRAdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(1+2)阻值變化阻值變化幾何變形幾何變形電阻率變電阻率變化化一、工作原理一、工作原理2 2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdRAdAdldlRdR半導體半導體 這個式子表達的現(xiàn)象稱為這個式子表達的現(xiàn)象稱為壓阻效應壓阻效應，即半導體材料受，即半導體材料受力作用時，電阻率發(fā)生變化。壓阻式傳感器就是利用壓力作用時，電阻率發(fā)生變化。壓阻式傳感器就是利用壓阻效應工作的。阻效

16、應工作的。一、工作原理一、工作原理2 2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器llbllEeKll 天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)KbKb6060150150，靈敏系數(shù)特別大，這是壓阻，靈敏系數(shù)特別大，這是壓阻 式傳感器的突出特點；式傳感器的突出特點；u 不存在橫向效應不存在橫向效應u 半導體材料的導電特性對溫度非常敏感。半導體材料的導電特性對溫度非常敏感。阻值變化：阻值變化：AdAdldlRdRK Kb bAdAdldlRdRAdAdldlRdR一、工作原理一、工作原理2 2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳

17、感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR被測量被測量X XR R電流電流 I I電壓電壓 U U傳感器傳感器轉換電路轉換電路直流電橋直流電橋轉換電路轉換電路交流電橋交流電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORUoR2R3R4R1CBDA一、直流電橋一、直流電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR平衡時：平衡時：UB=UDUAB=UADUBC=UDCI1=IAB =IBCI2=IAD =IDCI1 R1 = I2 R3 I1 R2 = I2 R4 條件條件

18、：R4 /R3 = R2 /R1UoR2R3R4R1CBDAI I1 1I I2 2一、直流電橋一、直流電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORR1 R4 = R2 R3R1 R4 = R2 R3R4 /R3 = R2 /R1=nR4 /R3 = R2 /R1=nn n橋臂比橋臂比平衡條件：平衡條件：一、直流電橋一、直流電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORUo UB UDUUoR2R3R4+ +R RR1CBDAURRnnUo112)1 (111RR時時一

19、、直流電橋一、直流電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORK Ku u U Un n(1+n)(1+n)2 2電橋靈敏度：電橋靈敏度：（1 1）KuKu與輸入電壓有關；與輸入電壓有關；U U0 0= =U U4 4 R R R R（2 2）KuKu與與n n有關。（何時有關。（何時KuKu最大）？最大）？一、直流電橋一、直流電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR如何克服直流單臂電橋的非線性問題？如何克服直流單臂電橋的非線性問題？差動技術：差動技術： f(x)

20、=a0 +a1x +a2x2 + anxn f(-x)=a0 -a1x +a2x2 + an(-x)nf(x)=2a1x +2a3x3 +二、差動電橋二、差動電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORU0=U2 R RUUoR2R4- -R RR3CBDA+ +R RR1二、差動電橋二、差動電橋3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR 用應變片測量時，由于環(huán)境溫度變化而引起電阻用應變片測量時，由于環(huán)境溫度變化而引起電阻變化，由此而產生的測量誤差，稱為應變片的變化，由

21、此而產生的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差溫度誤差。三、溫度誤差與補償三、溫度誤差與補償3 3 轉換電路轉換電路天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu原因原因 敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差三、溫度誤差與補償三、溫度誤差與補償3 3 轉換電路轉換電路tRRt1)(tt溫度增量溫度增量電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu原因原因試件材料的線膨脹引起的誤差試件材料的線膨脹引起的誤差三、溫度誤差與補償三、溫度誤差與補償3 3 轉換電路轉換電路tkRRsg)

22、()(2k靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)gs試件膨脹系數(shù)試件膨脹系數(shù)應變片膨脹系數(shù)應變片膨脹系數(shù)天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu原因原因總總的誤差的誤差三、溫度誤差與補償三、溫度誤差與補償3 3 轉換電路轉換電路tktRRsgtt)()(ttkkRRsgttt)(/)(熱輸出熱輸出天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSORu方法方法 （1）自補償法）自補償法三、溫度誤差與補償三、溫度誤差與補償3 3 轉換電路轉換電路)(sgtk時0t 對于給定的試件，通過對敏感柵材料合適的熱處理工藝、改對于給定的試件，通過對敏感柵材

23、料合適的熱處理工藝、改變合金成份等措施，使得變合金成份等措施，使得 at 滿足上式。滿足上式。 或兩段不同材質的敏感或兩段不同材質的敏感柵串接，使得柵串接，使得R1 R2天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR（2）線路補償法）線路補償法 接入消除溫度影響的電阻。如差動補償、熱敏電接入消除溫度影響的電阻。如差動補償、熱敏電阻、補償電阻。阻、補償電阻。 三、溫度誤差與補償三、溫度誤差與補償3 3 轉換電路轉換電路R1RcR1Rc天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR1 1、結構簡單，使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、適應性

24、強，信號處、結構簡單，使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、適應性強，信號處 理簡單，能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強；理簡單，能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強；2 2、靈敏度、精度高、動態(tài)測量，測量范圍大；、靈敏度、精度高、動態(tài)測量，測量范圍大；3 3、便于多點測量、遠距離測量和遙測；、便于多點測量、遠距離測量和遙測；4 4、壓阻式靈敏系數(shù)大、分辨率高、頻率響應高、體積小、適于、壓阻式靈敏系數(shù)大、分辨率高、頻率響應高、體積小、適于半導體工藝、機械滯后小、橫向效應小、但易受溫度影響、機半導體工藝、機械滯后小、橫向效應小、但易受溫度影響、機械強度差。械強度差。一、應用特點與范圍一、應用特點與范圍4

25、4 應用應用天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR綜合誤差在綜合誤差在 1.0%-0.1%1.0%-0.1%，高精度力傳感，高精度力傳感器已能達到器已能達到0.03%-0.01%0.03%-0.01%。 壓力：壓力：10104 4-10-109 9PaPa；力：力：0.1-100.1-107 7N N一、應用特點與范圍一、應用特點與范圍4 4 應用應用天津商業(yè)大學天津商業(yè)大學 電阻式傳感器電阻式傳感器RESISTOR SENSOR1 1、應變、應力；、應變、應力；2 2、力，如拉力、壓力、壓強、扭矩；、力，如拉力、壓力、壓強、扭矩；3 3、加速度、位移等。、加速度、位移等。一、應用特點與范圍一、應用特點與范圍4 4 應用應用 廣泛用于測應力、應變、力、稱重、位移、加速度及扭矩等，廣泛用于測應力、應變、力、稱重、位移、加速度及扭矩等，并且在力學量傳感器中，電阻應變式傳感器至今仍占有主導地位。并且在力學量傳感器中，電阻應變式傳感器至今仍占有主導地